Ausgangssituation

Während robotergestützte 3D-Formerfassungssysteme in der Massenproduktion bereits eine hohe Akzeptanz genießen, werden sie in der Kleinserie und der Einzelfertigung aus Kostengründen kaum eingesetzt. Kostentreiber stellen dabei weniger die Anschaffungskosten als vielmehr die Programmierkosten und der damit einhergehende hohen Zeitaufwand dar. Für jede einzelne Bauteilvariante müssen zahlreiche Programmierschritte manuell durchgeführt werden. Für diese zeitintensiven Programmiertätigkeiten wird hochqualifiziertes Personal über einen langen Zeitraum gebunden. Daraus lässt sich ableiten, dass ein zentraler Ansatzpunkt für einen wirtschaftlichen Robotereinsatz in der Vermessung kleiner Losgrößen und in der Vereinfachung der Bedienung und Programmierung von Industrierobotern liegt.

Abbildung 1: Robotergestütztes Messsystem

Ziel des Projektes

Um den oben genannten Defiziten zu entgegnen, wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) eine neue aufgabenorientierte Methode zur Programmierung von Messrobotern entwickelt. Diese Methode adressiert die drei wichtigen Hürden bei der Programmierung von Messrobotern: Die Auswahl der zur vermessenden Merkmalen, die automatische Generierung von Laserscanner-Pfaden zur Durchführung der Messaufgabe sowie die Ableitung von entsprechen optimalen Roboterbahnen. Diese neue Methode stützt sich darauf, dass die Güte von Blechteilen hauptsächlich durch die Konturhaltigkeit von wichtigen Artefakten und geometrischen Grundelementen wie Bohrungen, Bolzen, Außenabrisse usw. beeinflusst wird.

Vorgehensweise

Die Abbildung 2 veranschaulicht das Vorgehen zur automatischen Programmierung und spiegelt zugleich die wichtigen Module der Methode.

Abbildung 2: Vorgehen für die konturlinienbasierte Programmierung und Simulation

CAD-basiertes Extrahieren der Konturen von qualitätsrelevanten Merkmalen: Die Aufgabe des ersten Moduls der vorliegenden Programmiermethode besteht darin, die Konturlinien von qualitätsrelevanten Merkmalen und Artefakten des zu vermessenden Objekts zu isolieren. Hierfür werden Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung und Formerkennung an polygonale Datensätze adaptiert.

Benutzerfreundliche, abstrakte Definition der Messaufgabe: Dieses Modul dient zur grafisch-interaktiven Modellierung des Zellenlayouts und der Beschreibung dessen, was in der Qualitätssicherungszelle geschehen bzw. bewirkt werden soll. Das Simulations-modell der Roboterumwelt setzt sich dabei aus den Geometriebeschreibungen der Komponenten, welche über eine Programmierschnittstelle aus einem CAD-System übernommen werden, zusammen. Zur Beschreibung der Messaufgabe fungieren die im vorherigen Schritt extrahierten Konturlinien als Eingangsinformation. Die Festlegung der zu vermessenden Merkmale erfolgt durch das Anklicken der entsprechenden Konturlinien. Ergebnis dieser Phase ist somit die Konturlinie der Merkmale, welche vom Laserscanner abgefahren werden soll.

Automatische Generierung eines initialen Laserscanner-Messpfads: Zum Funktionsumfang dieses Bausteins gehört die Planung von roboterunabhängigen kollisionsfreien Initialpfaden des Laserscanners entlang der ausgewählten Konturlinien. Der Verlauf dieses Pfades muss sicherstellen, dass der Laserscanner ständig eine Vielzahl von Prozessparametern gleichzeitig erfüllt. Darunter sind die Einhaltung eines bestimmten Neigungs- und Kippwinkels bezüglich des Flächennormals der zu scannenden Region, die Beibehaltung des Abstands zum Bauteil innerhalb des Laserscannersichtfeldes sowie die Vermeidung von Hinterschneidungen zu nennen.

Ableitung von optimierten Roboterbewegungen: Der initiale Laserscannerpfad besteht aus verschiedenen Pfadsegmenten und ist aufgrund seines kantigen Verlaufs noch nicht robotertauglich. Prozessbahnen mit scharfen Kanten und häufigen Richtungswechsel verursachen an der Führungsmaschine störende Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge und Schwingungen. Diese bewirken nicht nur eine Verlängerung der Taktzeit sondern wirken sich oftmals auch auf das Wartungsintervall des Roboters. Es ist demnach notwendig, den Initialen Bewegungsverlauf des Laserscanners weiter zu optimieren. Letzteres erfolgt in diesem Modul durch zwei ineinander geschachtelte Algorithmen.

Kompensation von Abweichungen zwischen virtuellem Modell- und Realwelt: Offline generierte Roboterprogramme können in der Regel nicht für den direkten Einsatz an der realen Anlage verwendet werden. Dies liegt darin begründet, dass die idealisierte Repräsentation von geometrischen 3D-Modellen sowie die generischen mathematischen Steuerungsmodelle mit der Realität nicht in ausreichendem Maße übereinstimmen. Vor diesem Hintergrund sieht diese neue Programmierungsmethode eine Übersetzung der Roboterbahn mithilfe eines Post-Prozessors nicht als festes Verfahrprogramm in der Roboterzielsprache vor. Vielmehr wird die berechnete Sollbahn, welche entweder in kartesischem oder Gelenkwinkelraum vorliegen kann, in der Betriebsphase vom Simulationsrechner auf den Roboter übertragen und fungiert dort als Eingangsgröße für den lokalen Bahninterpolator. Nach der Übertragung der Sollbahn ermitteln Regelungsalgorithmen im fünften und letzten Modul die Abweichungen zwischen der Sollbahn und Realbahn basierend auf den aktuellen Messdaten des Laserscanners. Ähnlich wie bei Konturverfolge­sensorik, werden die Messdaten des Laserscanners in Quasi-Realzeit verarbeitet und in bestimmten Zielgrößen rekonstruiert und beobachtet. Unter- oder überschreitet einer dieser Zielgrößen ein vorgegebenes Toleranzband, berechnen die Regelungsalgorithmen Korrekturgrößen die unmittelbar der aktuellen Roboterbahn überlagert werden.

Ergebnisse

Zum Nachweis der Einsatztauglichkeit der neuen aufgabenorientierten Programmiermethode wurden die oben beschriebenen Algorithmen prototypisch in ein geschlossenes Rechnerwerkzeug implementiert und einer Erprobung unterworfen. Dabei läuft das Programmiersystem auf einem Multicore Rechner unter dem Betriebssystem Windows XP, der über einen Interbus Feldbussystem an die Robotersteuerung angeschlossenen ist. Als Validierungsbauteil anhand dessen die gesamte Programmierungsmethode durchlaufen wurde, diente eine Pkw-Vordertür. Das Geometriemodell der Tür wurde in Form eines STL-Modells als Eingangsinformation im Programmiersystem übergeben. Abbildung 3 stellt die Zwischenergebnisse der verschiedenen Module bildlich dar. Hierbei veranschaulicht das Teilbild a), die aus dem STL-Modell extrahierten Konturlinien der Merkmale der Türe. Die rot markierten Konturen wurden ausgewählt und stellen die Messaufgabe dar. In Abbildung 3 b) sind die Lösungsräume des Lasescanners entlang der Konturlinien eingezeichnet. Teilbild c) bzw.3d) kennzeichnen den Laserscannerpfad bzw. die optimierte Roboterbahn zur Realisierung der Messaufgabe. Teilbild e) repräsentiert die Punktewolke aus dem Messvorgang mit dem Roboter und Teilbild f) den Soll-Ist-Vergleich in Form eines flächigen Farbplots.

 Abbildung 3: Ergebnisse zur Validierung der Programmiermethode

Status

laufend

Laufzeit

05/2007-09/2010

Letzte Aktualisierung

27.01.2010